金屬幕墻中鋁塑復(fù)合板折邊處受力分析

    1、前言

    金屬幕墻是繼玻璃幕墻[1]之后而發(fā)展起來的又一種新型幕墻結(jié)構(gòu)，金屬幕墻[2]經(jīng)常與玻璃幕墻同時(shí)使用于同一建筑物上。通常建筑物的透光部分用玻璃幕墻，不透光部分采用金屬幕墻。由于金屬板材( 鋁塑復(fù)合板、鋁單板、蜂窩鋁板、夾芯保溫鋁板等) 的優(yōu)良的加工性能，色彩的多樣及良好的安全性，能完全適應(yīng)各種復(fù)雜造型的設(shè)計(jì)，可以任意增加凹進(jìn)和凸出的線條，而且可以加工各種型式的曲線線條，因而金屬幕墻作為一種極富沖擊力的建筑形式，給建筑師以巨大的發(fā)揮空間，倍受青睞。大規(guī)格金屬板面在工程中被廣泛的采用，為保證金屬板面的平整度因而需進(jìn)行合理的受力計(jì)算。國內(nèi)對金屬幕墻中鋁塑復(fù)合板折邊處受力的研究較少，本文采用有限元方法，把鋁塑復(fù)合板作為受力分析對象，研究折邊周圍的最大應(yīng)力分布，為金屬幕墻受力分析提出合理性建議。

    2、鋁塑復(fù)合板折邊形式

    2.1 鋁塑復(fù)合板

    鋁塑復(fù)合板是內(nèi)外兩層 0.5mm 的純鋁板中間夾層為 3mm～4mm 厚的聚乙烯(PE 或聚氯乙烯 PVC)經(jīng)輥壓熱合而成。外用復(fù)合鋁板表面的氟碳漆也是以輥涂的方式與輥壓、熱合一次完成的，涂層的厚度一般為 20μm 左右，復(fù)合鋁板的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕，表面光潔，平整度好，同方向無色差，并具有出色的現(xiàn)場加工性，為處理現(xiàn)場建筑誤差所引起的外墻尺寸變化，減少車間加工周期和縮短安裝工期提供了條件。

    2.2 鋁塑復(fù)合板折邊

    鋁塑復(fù)合板開槽一般可開 V 型槽、U 型槽等，幾種典型的開槽方式如圖 1 所示。鋁塑復(fù)合板的板材在裁板時(shí)要考慮到折邊加放的尺寸，一般每邊加放 25mm 左右。裁好的復(fù)合板需要四邊刨槽，即切去一定寬度的內(nèi)層鋁板和塑料層，開槽深度必須嚴(yán)格控制在正面鋁板后至少保留 0.3mm 厚的塑料芯材，以保證鋁塑復(fù)合板有足夠的韌性，防止折邊處鋁皮斷裂，然后折邊成 90°陽角，這樣板面自重和幕墻隨時(shí)都會(huì)受到的正負(fù)風(fēng)荷載壓力均由四個(gè)邊 0.5mm 鋁板承受，因此，開槽折邊處是鋁塑復(fù)合板面板的最薄弱環(huán)節(jié)，也是風(fēng)荷載作用下最先破壞的部位。

    2.2 鋁塑復(fù)合板折邊加固

    鋁塑復(fù)合板一般通過四周折邊增大板的剛度，而且可以避免鋁塑復(fù)合板的芯材在大氣中外露。鋁塑復(fù)合板的折邊可按需要設(shè)置加強(qiáng)邊框，鋁塑復(fù)合板幕墻面板不宜使用鋁角碼作為邊框，應(yīng)使用鋁型材作為加強(qiáng)邊框。加強(qiáng)邊框可采用金屬方管、槽形和角形等，其應(yīng)與面板可靠連結(jié)，并應(yīng)有防腐措施。邊框與鋁塑復(fù)合板的折邊的連接可使用鋁鉚釘，其連接應(yīng)滿足傳力要求可靠連結(jié)。

    在實(shí)際工程中，鋁塑復(fù)合板的折邊處的處理形式分為以下兩種： ①可按需要設(shè)置加強(qiáng)邊框； ②沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框。鋁塑復(fù)合板的折邊處沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框的形式受力最為不利。本文的鋁塑復(fù)合板的折邊處的處理形式為沒有設(shè)置加強(qiáng)邊框。

    3、鋁塑復(fù)合板受力研究

    3.1 基本承載特點(diǎn)

    金屬幕墻中金屬板需承受多種荷載，其中包括自重、風(fēng)荷載、雨雪荷載、地震荷載、施工荷載、溫度變化、支座位移以及活荷載等。而其作用的形式可分成兩類：垂直于金屬板表面的作用和平行于金屬板表面的作用。垂直于板表面的作用使金屬板發(fā)生彎曲，統(tǒng)稱為面外作用，亦稱面外荷載；平行于板表面的作用會(huì)使金屬板發(fā)生剪切破壞，統(tǒng)稱為面內(nèi)作用，也可稱作面內(nèi)剪力。一般情況下，對建筑幕墻起控制作用的是風(fēng)荷載[3]。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力，避免在風(fēng)荷載作用下破碎或脫落。本文主要考慮了垂直于板表面的風(fēng)荷載。

    3.2 計(jì)算公式

    3.2.1 鋁塑復(fù)合板固定形式

    鋁塑復(fù)合板的力學(xué)性能主要來源于兩層鋁板，鋁板的厚度對其力學(xué)性能有著重要的影響。塑復(fù)合板采用 4mm，面板厚度為 0.5mm，鋁塑復(fù)合板四周折邊，采取鋁角碼固定，采用設(shè)置和不設(shè)置加強(qiáng)邊框兩種。鋁塑復(fù)合板固定后，板材的周邊均可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，所以計(jì)算時(shí)可以作為簡支邊考慮。

    3.2.2 應(yīng)力計(jì)算

    在垂直于鋁塑復(fù)合板板塊的風(fēng)荷載作用下的最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值[4]可采用考慮幾何非線性的有限元方法計(jì)算。也可分別按下列公式計(jì)算:

式中：

θ —— 參數(shù)；

σwk ——風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的板中最大彎曲應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值 (N/mm2);

wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2);

l——鋁塑復(fù)合板區(qū)格的計(jì)算邊長(mm);

E——鋁塑復(fù)合板的彈性模量(N/mm2);

m——鋁塑復(fù)合板的彎矩系數(shù);

t——鋁塑復(fù)合板的厚度(mm);

η——折減系數(shù)。

        3.2.3 撓度計(jì)算

式中：

df——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下?lián)隙茸畲笾?mm);

wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2);

l———鋁塑復(fù)合板區(qū)格的計(jì)算邊長(mm);

μ———撓度系數(shù);

D———鋁塑復(fù)合板的剛度(N·mm);

η———折減系數(shù)。

    3.2.4 荷載計(jì)算

作用于鋁塑復(fù)合板板塊的荷載可按三角形或梯形分布傳遞到邊肋上，進(jìn)行邊肋的計(jì)算時(shí)可按等彎矩原則化為等效均布荷載 (見圖 2)

    4、鋁塑復(fù)合板有限元分析

    4.1 模型尺寸

    標(biāo)準(zhǔn)板件采用 1000mm×1600mm，板材表面均布荷載取 1.0×10-3N/mm2  (見圖 3)。